飛行原理
四旋翼的結構組裝有十字模式和X模式之分,兩者的基本原理一致,方向結構不同,都是通過四個電機的組合狀態進行控制姿態飛行,而十字型四旋翼機頭是對准其中一個電機的,X型的四旋翼四個電機在對角線。
高速旋轉的四旋翼螺旋槳產生空氣對無人機的反作用力,此反作用力為四旋翼垂直運動提供升力,除了垂直方向的升力,因旋翼切面形狀而在水平方向產生的反作用力會使得單個旋翼有自旋的傾向,為了解決這個問題,采用相鄰旋翼旋轉方向相反的方式來互相抵消水平方向的旋扭力力。所以四旋翼電機有正反之分。
相對於升降動作,四旋翼無人機的在各個方向的飛行原理才是核心,以向前飛為例,我們很容易了解到是后面的電機加速,前面的電機減速,導致無人機旋翼的分力對后方空氣產生作用力,空氣對無人機向前的反作用力便提供了無人機向前飛行的動力。向后行便是相反的情況:前電機加速后方的電機減速,左右飛行便是左右電機的協調。從專業的角度講,前后飛行為俯仰軸運動,左右運動為橫滾軸運動,由此加上下的高度運動其實可以飛行至三維空間的任意一個位置。
改變無人機朝向的運動為自旋運用,即偏航軸運動。偏航軸運動的相對狀態電機為相鄰兩個電機,相鄰電機一個加速一個減速,便是對角線上的電機轉速狀態保持一致性。相鄰電機的抵消的旋扭力平衡狀態被打破,則會產生自旋動作,便實現了偏航運動。若實現除單純單向運動以外的運動,類似左前運動,便是上述俯仰前進運動和橫滾左移運動的結合,結果便是前左電機減速,后右電機加速,而前右電機因在前進運動中減速,在左移電機中加速,所以轉速不變。總而言之,四旋翼無人機飛行原理來自一個看似十分淺顯的道理:四個旋翼轉速變化的不同組合。那么在進行無人機各種狀態控制的顯然不能將各種狀態的控制方式進行封裝,這種方法過於低效和笨拙,而是通過一個媒介實現對無人機系統的通用性設計——姿態。
無人機飛行模式是無人機飛控處在不同的功能檔位,最基礎的是自穩功能Stabilize,自穩便是在無人機始終使自身保持在期望角度位置,無操作時便是水平位置角度0。這個過程並不是停止運行,系統在不斷地采集並補償機械誤差和外部環境影響的誤差。比率控制模式Acro便是不進行角度控制,遙感位置對應的是賦予無人機的角速度,有控制信息時無人機便會跟着旋轉,歸零時便維持當前角度(沒有控制信息前一刻的角度),此模式新手難以操作,一般用於第一人稱視角FPV場景下使用。 定高模式的情況下四旋翼可以自主保持在當前高度,此模式簡化了操作,是無人機在執行任務時的穩定性能大大增加。定點模式position為定高模式的加強版,無人機不僅在高度上有自動控制維持目標高度的功能,在各個方向上面也可以抑制漂移,位置不發生變化。簡單模式使用者不需要關心機頭在哪,將無人機看做一個點,只需要關心此點關於自己的相對位置即可。自動模式AUTO,自動模式便是無人機根據寫好的程序在當前環境下無人操作自主飛行的模式,需要定高定點等模式的輔助才可開啟。軌跡飛行和自主返航等功能便是自動模式的典型體現。
基本結構
控制器:此飛控的控制器使用 STM32F407ZGT6,為32位的高性能ARM Cortex-M4內核單片機,時鍾主頻可達168MHZ,處理速度可滿足無人機對控制器的高實時性要求,有100個引腳,有512k的閃存FLASH,17個定時器,有充足的包括i2c接口,串口,spi接口,usb otg的通信接口,通訊總線充足可滿足飛控系統的傳感器需求,可使用SWD調試和ITAG接口調試。,
單片機Single-Chip Microcomputer包括處理器,緩存ram,內存rom和定時器、中斷電路、io口和各種通訊總線等外設的集成芯片,也可看做一個微型計算機系統。在各類電子產品和工控領域應用廣泛,相對fpga 、dsp等其他集成處理器的優勢在於控制速度較快,適合用於無人機等高速控制場合。,單片機芯片、晶振電路、復位電路、電源電路構成了單片機最小系統。
機架:使用碳纖維材質的機架,具有韌性高和質量相對較輕的優點,機架軸距表示對角電機的長度,單位是厘米。
電機: 直流無刷電機,效率比較高。尺寸型號前兩位為電機線圈外徑,后兩位表示高度,比如2314表示外徑23毫米,長度14毫米,電機的關鍵參數kv值的大小乘以電池電壓是電機每分鍾空轉的次數。小扭矩的無人機應使用kv值大的電機,轉速較快,相反軸距大的無人機需要較大的扭力,應使用kv值小的電機,適用於,類似車子上坡時用低檔,在高速行駛中使用低檔。
螺旋槳:根據電機進行選型,材質較硬為佳,螺旋槳的主要參數為長度和螺距,規格前兩位為長度后兩位為螺距(在膠體中旋轉一圈前進的距離),如9443型號的螺旋槳長度為9.4英寸,螺距為4.3英寸。
電調:電調為無刷電機驅動器,無刷電機沒有電刷,電力勢能的產生需要電調內部產生的3個120度交流電勢的三相交流電,電調的輸入協議是周期為20ms的高低電平組成的pwm信號,高電平持續時間為1ms到2ms,對應着0和滿量程的信號,這里的高低界限是可以通過電調校准進行設置的,電調校准也是為了保證四個電調對於信號的靈敏度相同。校准方式是電調上電是將脈寬給到最高,等待提示音結束,將脈寬值給到最低。提示音結束校准結束,不同廠家電調校准聲音不同,但是他們都遵循着相同的協議。
電池:電池使用鋰電池,具有較高的放電倍率,電池的容量乘以放電倍率的C數為電池可達到的最大電流。航模鋰電池常用多片串聯升壓的方式,3S代表的是電池電芯數為3,電池的電壓是單片電壓(一般是標准電壓3.8V,滿電壓4.2V)乘以電芯數量。如3S電池的額定電壓為11.4V,滿電壓為12.6V,因為航模鋰電池是多片電芯同時工作,為避免各電芯電壓不平衡導致的損壞,充電時需使用平衡充,測量各個電芯的電壓進行智能分配電流,盡可能的讓幾個電芯的電壓一致。
遙控器:支持普通航模遙控器,使用免申請頻段2.4G無線電調頻和擴頻技術,具有更好的避免干擾能力,遙控器除了搖桿,還有控制模式功能的開關,所有這些可以控制的元素數量叫做通道數,通道數越來可控無人機的功能越多。此設計同時支持手機app進行體感遙控。
接收機:接收機將遙控器信號進行解析發送至飛控端,接收機和遙控器需使用同樣的協議,在和飛控交互的時候常見的有3種協議:PWM,PPM,SBUS協議。PWM為高低電平組成的周期性信號,PPM為個多個通道的PWM進行結合在一個通道上的協議,SBUS使用串口進行各個通道信息的傳輸,SBUS具有結構簡單的特點,只需兩根串口線便可完成通信,此設計飛控使用SBUS連接方式及協議對接收機信號進行解析處理。